L14-光電材料復(fù)習(xí)

1、2021-7-171 光電材料課程光電材料課程 復(fù)習(xí)提綱復(fù)習(xí)提綱 2021-7-172 一、半導(dǎo)體中的載流子一、半導(dǎo)體中的載流子 1 1 本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 2 2 電子和空穴的統(tǒng)計(jì)分布電子和空穴的統(tǒng)計(jì)分布 3 3 費(fèi)米能級(jí)與載流子濃度的計(jì)算費(fèi)米能級(jí)與載流子濃度的計(jì)算 4 4 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 5 5 電導(dǎo)率和遷移率電導(dǎo)率和遷移率 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 6 6 非平衡載流子非平衡載流子 二、二、p-n結(jié)結(jié) 1 p-n1 p-n結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖 2 p-n2 p-n結(jié)電流電壓特性結(jié)電流電壓特性 3 p-n3 p-n結(jié)電容結(jié)電容 4 p-n4 p-n結(jié)擊穿結(jié)擊穿

2、2021-7-173 三、固體表面及界面接觸現(xiàn)象三、固體表面及界面接觸現(xiàn)象 1 1 表面態(tài)表面態(tài) 2 2 表面電場(chǎng)效應(yīng)表面電場(chǎng)效應(yīng) 3 3 金屬與半導(dǎo)體的接觸金屬與半導(dǎo)體的接觸 4 MIS4 MIS結(jié)構(gòu)的電容結(jié)構(gòu)的電容- -電壓特性電壓特性 四、固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象四、固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 1 1 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收 2 2 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 3 3 半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光 五、半導(dǎo)體光電材料五、半導(dǎo)體光電材料 1 1 硅基和化合物光電材料硅基和化合物光電材料 六、光電材料的應(yīng)用六、光電材料的應(yīng)用 1 1 光電顯示材料光電顯示材料 2 2 太陽(yáng)能

3、電池太陽(yáng)能電池 試題類(lèi)型試題類(lèi)型 一、填空一、填空 ( 30分，每空分，每空1分分) 二、名詞解釋?zhuān)款}二、名詞解釋?zhuān)款}2分，分， 共共20分）分） 三、問(wèn)答題（任選三、問(wèn)答題（任選3題，每題，每 題題10分，共分，共30分）分） 四、計(jì)算與求證題（每題四、計(jì)算與求證題（每題 10分，共分，共20分）分） 2021-7-174 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體?；瘜W(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。 載流子載流子: 半導(dǎo)體中的電子和空穴都是荷電粒子，并可半導(dǎo)體中的電子和空穴都是荷電粒子，并可 在半導(dǎo)體內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，統(tǒng)稱(chēng)為載流子在半導(dǎo)體內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，統(tǒng)稱(chēng)為載流子

4、。 因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì) 出現(xiàn)的，稱(chēng)為出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)。游離的部分自由電游離的部分自由電 子也可能回到空穴中去，稱(chēng)為子也可能回到空穴中去，稱(chēng)為復(fù)合。復(fù)合。 本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 。 本征激發(fā)：本征激發(fā)：在常溫下，使一些價(jià)電子獲得足夠在常溫下，使一些價(jià)電子獲得足夠 的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子自由電子， 同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴空穴。 2021-7-175 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半

5、導(dǎo)體中的載流子 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì) 使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻 雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。 p 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：摻入受主雜質(zhì)后空穴濃度大大增加的雜摻入受主雜質(zhì)后空穴濃度大大增加的雜 質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（空穴半導(dǎo)體空穴半導(dǎo)體）。）。 n 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：摻入施主雜質(zhì)后自由電子濃度大大增摻入施主雜質(zhì)后自由電子濃度大大增 加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（電子半導(dǎo)電子半導(dǎo) 體體）。）。

6、 2021-7-176 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 摻雜施主濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度時(shí)，自摻雜施主濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度時(shí)，自 由電子濃度會(huì)遠(yuǎn)大于空穴濃度。這時(shí)自由電子稱(chēng)為由電子濃度會(huì)遠(yuǎn)大于空穴濃度。這時(shí)自由電子稱(chēng)為多多 數(shù)載流子數(shù)載流子（多子多子），空穴稱(chēng)為），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。 P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。 2021-7-177 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 費(fèi)米分布函數(shù)費(fèi)米分布函數(shù) ()/ 1 ( ) 1 FB E Ek T f E e 在熱平衡條件下，能量為在熱平衡條件下，

7、能量為E的狀態(tài)被電子占據(jù)的狀態(tài)被電子占據(jù) 的幾率為：的幾率為： 費(fèi)米能級(jí)：費(fèi)米能級(jí)： 是標(biāo)志系統(tǒng)中電子填充量子態(tài)高低的一個(gè)參是標(biāo)志系統(tǒng)中電子填充量子態(tài)高低的一個(gè)參 量，在絕對(duì)零度下，它是電子所能填充的最量，在絕對(duì)零度下，它是電子所能填充的最 高量子態(tài)。高量子態(tài)。 稱(chēng)為費(fèi)米分布函數(shù)稱(chēng)為費(fèi)米分布函數(shù)( )f E 2021-7-178 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 ()/ CFB EEk T C nN e 其中：其中： 3/2 * 2 2 2 nB C m k T N h NC被稱(chēng)為被稱(chēng)為導(dǎo)帶有效能級(jí)密度導(dǎo)帶有效能級(jí)密度 ()/ FVB EEk T V pN e 其中：其中： 3/2 *

8、 2 2 2 pB V m k T N h NV被稱(chēng)為被稱(chēng)為價(jià)帶有效能級(jí)密度價(jià)帶有效能級(jí)密度 電中性方程：電中性方程： AD nNpN 對(duì)于非簡(jiǎn)并的雜質(zhì)半導(dǎo)體，對(duì)于非簡(jiǎn)并的雜質(zhì)半導(dǎo)體， 總是成立的，總是成立的，稱(chēng)為稱(chēng)為質(zhì)量作用定律質(zhì)量作用定律 2 i nnp 2021-7-179 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 雜質(zhì)補(bǔ)償雜質(zhì)補(bǔ)償：由于受主的存在使導(dǎo)帶電子數(shù)減少，這種作用：由于受主的存在使導(dǎo)帶電子數(shù)減少，這種作用 稱(chēng)為雜質(zhì)補(bǔ)償稱(chēng)為雜質(zhì)補(bǔ)償 深能級(jí)雜質(zhì)：深能級(jí)雜質(zhì)：電離能比較大的雜質(zhì)電離能比較大的雜質(zhì) 2021-7-1710 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體簡(jiǎn)并半導(dǎo)體

9、 費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)EF進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶的半導(dǎo)體。進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶的半導(dǎo)體。 FC B EE k T 非簡(jiǎn)并非簡(jiǎn)并 2kBT 弱簡(jiǎn)弱簡(jiǎn)并并 -2 0 即，即，0 EC EF0 即，即，EC EFp p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體pn 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 n=p=ni 2021-7-1713 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 2021-7-1714 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 低溫范圍內(nèi)，載流子以雜質(zhì)激發(fā)為主，低溫范圍內(nèi)，載流子以雜質(zhì)激發(fā)為主，因雜質(zhì)濃度而不同。因雜質(zhì)濃度而不同。 高溫范圍內(nèi)，載流子以本征激發(fā)為主，高溫范圍內(nèi)，載流子以本征激發(fā)為主，趨于一致。趨于一致。 中間溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)

10、全部電離，晶格散射隨溫度加強(qiáng)，使中間溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)全部電離，晶格散射隨溫度加強(qiáng)，使 遷移率下降，因此遷移率下降，因此隨溫度的升高反而下降。隨溫度的升高反而下降。 2021-7-1715 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 把通有電流的半導(dǎo)體放在均勻磁場(chǎng)中，磁把通有電流的半導(dǎo)體放在均勻磁場(chǎng)中，磁 場(chǎng)方向和電場(chǎng)垂直，則在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向和電場(chǎng)垂直，則在垂直于電場(chǎng)和磁 場(chǎng)的方向?qū)a(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)，這種現(xiàn)象場(chǎng)的方向?qū)a(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)，這種現(xiàn)象 稱(chēng)為稱(chēng)為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。 H 1 qp R H 1 qn R 2021-7-1716 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子

11、霍爾電壓：霍爾電壓： H H R IB V t I: I: 電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度 t: t: 樣品厚度樣品厚度 2021-7-1717 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 總霍爾系數(shù)：總霍爾系數(shù)： 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體： 霍爾系數(shù)為負(fù)霍爾系數(shù)為負(fù) n型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： 霍爾系數(shù)為負(fù)霍爾系數(shù)為負(fù) p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 ： 低溫下低溫下 霍爾系數(shù)為正霍爾系數(shù)為正 高溫下高溫下 霍爾系數(shù)變?yōu)樨?fù)霍爾系數(shù)變?yōu)樨?fù) 22 2 1 () he H he pn R e pn 2021-7-1718 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài) 半導(dǎo)體在外界條件作用下，處于與熱平衡態(tài)相半導(dǎo)體

12、在外界條件作用下，處于與熱平衡態(tài)相 偏離的狀態(tài)，稱(chēng)為偏離的狀態(tài)，稱(chēng)為非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)。 非平衡狀態(tài)下載流子濃度與熱平衡狀態(tài)下載流非平衡狀態(tài)下載流子濃度與熱平衡狀態(tài)下載流 子濃度的差值，稱(chēng)為子濃度的差值，稱(chēng)為非平衡載流子非平衡載流子。 0 nnn 0 ppp 式中，式中，n和和p為非平衡狀態(tài)下的載流子濃度，為非平衡狀態(tài)下的載流子濃度， n和和p為為非平衡載流子濃度非平衡載流子濃度。 2021-7-1719 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 pn n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 平衡態(tài)時(shí)的多數(shù)載流子為電子平衡態(tài)時(shí)的多數(shù)載流子為電子n 非平衡多數(shù)載流子非平衡多數(shù)載流子為為n ，非平衡少數(shù)載流子非平衡

13、少數(shù)載流子為為p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 平衡態(tài)時(shí)的多數(shù)載流子為空穴平衡態(tài)時(shí)的多數(shù)載流子為空穴p 非平衡多數(shù)載流子為非平衡多數(shù)載流子為p ，非平衡少數(shù)載流子為，非平衡少數(shù)載流子為n 通常說(shuō)的非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子通常說(shuō)的非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子 由于電子和空穴同時(shí)產(chǎn)生成對(duì)出現(xiàn)由于電子和空穴同時(shí)產(chǎn)生成對(duì)出現(xiàn) 所以所以 2021-7-1720 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 擴(kuò)散擴(kuò)散 擴(kuò)散擴(kuò)散產(chǎn)生原因：載流子濃度分布不均勻產(chǎn)生原因：載流子濃度分布不均勻 用適當(dāng)波長(zhǎng)的光均勻照射半無(wú)限的用適當(dāng)波長(zhǎng)的光均勻照射半無(wú)限的n n型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體， 其其表面載流子的濃度比體內(nèi)多。

14、表面載流子的濃度比體內(nèi)多。 dx xpd)( 濃度梯度 dx xpd DS pp )( 式中，式中，Dp為空穴擴(kuò)散系數(shù)，為空穴擴(kuò)散系數(shù)， S Sp p為空穴擴(kuò)散流密度為空穴擴(kuò)散流密度 ，稱(chēng)為，稱(chēng)為擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度 pp DL 2021-7-1721 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp反映非平衡載流子在遭遇復(fù)合前反映非平衡載流子在遭遇復(fù)合前 平均能擴(kuò)散多遠(yuǎn)，其平均能擴(kuò)散多遠(yuǎn)，其物理意義物理意義是非平衡載是非平衡載 流子濃度降至流子濃度降至1/e所需要的距離。所需要的距離。 愛(ài)因斯坦關(guān)系式愛(ài)因斯坦關(guān)系式 / B Dk T q 其中其中kB為玻耳茲曼常數(shù)，為玻耳茲曼常數(shù)，

15、T為為絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度 2021-7-1722 1 1 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 電子和空穴在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)中都伴隨電子和空穴在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)中都伴隨 電流的出現(xiàn)。電流的出現(xiàn)。 空穴電流：空穴電流： 電子電流：電子電流： 總電流：總電流： ppPp dp JqSqpEqD dx nnnn dn JqSqnEqD dx ()() pnpnnp dndp JJJq pnEq DD dxdx 2021-7-1723 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 突變結(jié)突變結(jié): :在界面處雜質(zhì)濃度由在界面處雜質(zhì)濃度由NA （ p型）型）突變?yōu)橥蛔優(yōu)镹D （ n型）型）, ,具具 有這種雜質(zhì)分布的有這種雜質(zhì)

16、分布的p-n結(jié)稱(chēng)為突結(jié)稱(chēng)為突 變結(jié)。變結(jié)。如如圖圖5-35-3 單邊突變結(jié)單邊突變結(jié)：實(shí)際的突變結(jié)，兩邊雜質(zhì)濃度相差：實(shí)際的突變結(jié)，兩邊雜質(zhì)濃度相差 很多，通常稱(chēng)這種結(jié)為單邊突變結(jié)。很多，通常稱(chēng)這種結(jié)為單邊突變結(jié)。 突變結(jié)的雜質(zhì)分布：突變結(jié)的雜質(zhì)分布： xxj， ，N(x)=ND 2021-7-1724 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 擴(kuò)散法擴(kuò)散法 制備工藝：如圖制備工藝：如圖5-4 緩變結(jié)緩變結(jié): :在這種結(jié)中，雜質(zhì)濃度從在這種結(jié)中，雜質(zhì)濃度從p區(qū)到區(qū)到n區(qū)是區(qū)是 逐漸變化的。逐漸變化的。 2021-7-1725 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 緩變結(jié)的雜質(zhì)分布：緩變結(jié)的雜質(zhì)分布：如圖如圖5-5 x N

17、D(x) ； xxj，ND(x) NA(x) 線性緩變結(jié)線性緩變結(jié)：在擴(kuò)散結(jié)中，若在擴(kuò)散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用雜質(zhì)分布可用 x=xj的切線近似表示，則稱(chēng)為線性緩變結(jié)。的切線近似表示，則稱(chēng)為線性緩變結(jié)。 2021-7-1726 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 綜上所述，綜上所述， p-n結(jié)按雜質(zhì)分布可分為突變結(jié)按雜質(zhì)分布可分為突變 結(jié)和線性結(jié)和線性緩變結(jié)。合金結(jié)和高表面濃度的淺擴(kuò)緩變結(jié)。合金結(jié)和高表面濃度的淺擴(kuò) 散結(jié)（散結(jié)（p+-n結(jié)或結(jié)或n+-p結(jié)），結(jié)），一般認(rèn)為是一般認(rèn)為是突變結(jié)突變結(jié)。 而而低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)，一般認(rèn)為是低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)，一般認(rèn)為是線性線性緩緩 變結(jié)變結(jié)。 內(nèi)建電場(chǎng)：內(nèi)建電

18、場(chǎng)：p-n結(jié)中空間電荷區(qū)內(nèi)由電離施主結(jié)中空間電荷區(qū)內(nèi)由電離施主 和受主形成的由和受主形成的由n區(qū)指向區(qū)指向p區(qū)的電區(qū)的電 場(chǎng)。場(chǎng)。 2021-7-1727 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) p-n結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖 當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成p-n結(jié)時(shí)，電子從費(fèi)結(jié)時(shí)，電子從費(fèi) 米能級(jí)高的米能級(jí)高的n區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的p區(qū)，空穴從區(qū)，空穴從 費(fèi)米能級(jí)低的費(fèi)米能級(jí)低的p區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)高的區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)高的n區(qū)。區(qū)。 因此，因此，EFn不斷下降，不斷下降， EFp不斷上升，不斷上升， 直到直到 EFn = EFp為止。這時(shí)，為止。這時(shí)， p-n結(jié)中結(jié)中有統(tǒng)一的費(fèi)米能有統(tǒng)一的

19、費(fèi)米能 級(jí)級(jí)EF ， p-n結(jié)處于平衡狀態(tài)。結(jié)處于平衡狀態(tài)。如圖如圖5-7 2021-7-1728 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 2021-7-1729 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 上式表明，上式表明， VD和和p-n結(jié)兩邊的摻雜濃度、結(jié)兩邊的摻雜濃度、 溫度、材料的禁帶寬度有關(guān)。溫度、材料的禁帶寬度有關(guān)。 在一定溫度下，突變結(jié)兩邊的摻雜濃度越在一定溫度下，突變結(jié)兩邊的摻雜濃度越 高，高，接觸電勢(shì)差接觸電勢(shì)差VD越大；禁帶寬度越大，越大；禁帶寬度越大， ni 越小，越小， VD越大。越大。 0 2 0 nlnl FnFp nB p BDA D i k EE TN N V q n n k T qqn

20、0nD nN 2 0 / piA nnN因?yàn)橐驗(yàn)?，則則 2021-7-1730 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 即， np FF EEqV由圖5-13可見(jiàn)， np FF EE 2021-7-1731 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) （b）外加反向偏壓外加反向偏壓 由圖由圖5-14可見(jiàn)可見(jiàn)， pn FF EE 2021-7-1732 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 當(dāng)增加正偏壓時(shí)，勢(shì)壘降得更低，增大了當(dāng)增加正偏壓時(shí)，勢(shì)壘降得更低，增大了 流入流入p區(qū)的電子流和流入?yún)^(qū)的電子流和流入n區(qū)的空穴流，這種區(qū)的空穴流，這種 由于外加正向偏壓的作用使非平衡載流子進(jìn)由于外加正向偏壓的作用使非平衡載流子進(jìn) 入半導(dǎo)體的過(guò)程稱(chēng)為非平

21、衡載流子的入半導(dǎo)體的過(guò)程稱(chēng)為非平衡載流子的電注入電注入。 非平衡載流子非平衡載流子： 由于外界激發(fā)的作用，系統(tǒng)中高于熱平衡數(shù)由于外界激發(fā)的作用，系統(tǒng)中高于熱平衡數(shù) 值的值的“過(guò)剩過(guò)?！陛d流子。載流子。 2021-7-1733 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 理想理想p-np-n結(jié)模型及電流電壓方程結(jié)模型及電流電壓方程 1. 理想理想p-n結(jié)必須滿(mǎn)足以下條件：結(jié)必須滿(mǎn)足以下條件： （a ）小注入條件小注入條件：注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)：注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù) 載流子濃度小得多。載流子濃度小得多。 （b）突變耗盡層條件：外加電壓和接觸電勢(shì)差都降落突變耗盡層條件：外加電壓和接觸電勢(shì)差都降落

22、在耗盡層上，耗盡層中的電荷由電離施主和電離受主的在耗盡層上，耗盡層中的電荷由電離施主和電離受主的 電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的。因此，注入電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的。因此，注入 的少數(shù)載流子在的少數(shù)載流子在p區(qū)和區(qū)和n區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 （c）通過(guò)耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗通過(guò)耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗 盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用。盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用。 （d）玻耳茲曼邊界條件：在耗盡層兩端，載流子分布玻耳茲曼邊界條件：在耗盡層兩端，載流子分布 滿(mǎn)足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布。滿(mǎn)足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布。 2021-7-1734 2 p-n2

23、p-n結(jié)結(jié) ()()()() npppnppn JJxJxJxJx 00nppn s np qD nqD p J LL 令 則 exp1 s B qV JJ k T 上式為理想上式為理想p-n結(jié)模型的電流電壓方程，又稱(chēng)為結(jié)模型的電流電壓方程，又稱(chēng)為 肖克萊方程肖克萊方程。 理想理想p-n結(jié)模型的電流電壓方程式：結(jié)模型的電流電壓方程式： 2021-7-1735 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) exp1 s B qV JJ k T 從從p-n結(jié)模型的電流電壓方程可以看出：結(jié)模型的電流電壓方程可以看出： （a）p-n結(jié)具有單向?qū)щ娦越Y(jié)具有單向?qū)щ娦?在正向偏壓下，正向電流密在正向偏壓下，正向電流密 度隨正

24、向偏壓呈指數(shù)增加；度隨正向偏壓呈指數(shù)增加； 在反向偏壓下，反向電流密在反向偏壓下，反向電流密 度為常數(shù)，與外加電壓無(wú)關(guān)，故度為常數(shù)，與外加電壓無(wú)關(guān)，故 稱(chēng)為稱(chēng)為-Js為反向飽和電流密度。為反向飽和電流密度。 p-n結(jié)在結(jié)在正向偏壓下具有單向?qū)ㄐ哉蚱珘合戮哂袉蜗驅(qū)ㄐ?，在，在反向偏壓反向偏?下具有整流特性下具有整流特性。 2021-7-1736 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) pn結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空 穴在勢(shì)壘區(qū)的穴在勢(shì)壘區(qū)的“存入存入”和和“取出取出”作用，導(dǎo)致作用，導(dǎo)致 勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變

25、化，這 和一個(gè)電容器的充放電作用相似。這種和一個(gè)電容器的充放電作用相似。這種pn結(jié)的結(jié)的 電容效應(yīng)稱(chēng)為電容效應(yīng)稱(chēng)為勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容，以，以CT表示。表示。 2021-7-1737 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 雪崩擊穿：雪崩擊穿：在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，p-n結(jié)內(nèi)載流子結(jié)內(nèi)載流子 獲得加速后具有很大的動(dòng)能后與晶格原子發(fā)生獲得加速后具有很大的動(dòng)能后與晶格原子發(fā)生 碰撞，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)使反向電流急劇碰撞，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)使反向電流急劇 加大的現(xiàn)象。加大的現(xiàn)象。 隧道擊穿：隧道擊穿：在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由隧道效應(yīng)，使大在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由隧道效應(yīng)，使大 量電子從價(jià)帶穿過(guò)禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶所引起

26、的一量電子從價(jià)帶穿過(guò)禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶所引起的一 種擊穿現(xiàn)象。種擊穿現(xiàn)象。 熱電擊穿：熱電擊穿：由于熱不穩(wěn)定性引起的由于熱不穩(wěn)定性引起的p-n結(jié)擊穿，結(jié)擊穿， 稱(chēng)為熱電擊穿。稱(chēng)為熱電擊穿。 p-n結(jié)的擊穿結(jié)的擊穿 2021-7-1738 2 p-n2 p-n結(jié)結(jié) 當(dāng)外加電壓增加時(shí)，當(dāng)外加電壓增加時(shí)，n區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非 平衡空穴和與它保持電中性的電子相應(yīng)增加。平衡空穴和與它保持電中性的電子相應(yīng)增加。 同樣，同樣，p區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子和與它保區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子和與它保 持電中性的空穴也相應(yīng)增加。持電中性的空穴也相應(yīng)增加。 這種由于擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變這種

27、由于擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變 化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱(chēng)為化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱(chēng)為pn結(jié)的結(jié)的擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容， 用符號(hào)用符號(hào)CD表示。表示。 2021-7-1739 39 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 表面態(tài)：表面態(tài)： 周期性勢(shì)場(chǎng)因晶格的不完整性（雜質(zhì)原子周期性勢(shì)場(chǎng)因晶格的不完整性（雜質(zhì)原子 或晶格缺陷）的存在而受到破壞時(shí)，會(huì)在禁帶或晶格缺陷）的存在而受到破壞時(shí)，會(huì)在禁帶 中出現(xiàn)中出現(xiàn)附加能級(jí)，附加能級(jí)，所以這些附加的電子能態(tài)被所以這些附加的電子能態(tài)被 稱(chēng)為稱(chēng)為表面態(tài)表面態(tài)。 理想表面理想表面：在無(wú)限晶體中插進(jìn)一個(gè)平面，然后將：在無(wú)限晶體中插進(jìn)一個(gè)平面，然后將 其分

28、成兩部分，這個(gè)分界面叫理想表其分成兩部分，這個(gè)分界面叫理想表 面。面。 2021-7-1740 40 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 由于半導(dǎo)體載流子濃度是有限的，要積由于半導(dǎo)體載流子濃度是有限的，要積 累一定面電荷就要占相當(dāng)厚的一層，通常累一定面電荷就要占相當(dāng)厚的一層，通常 需要幾百以至上千個(gè)原子間距，稱(chēng)這一帶需要幾百以至上千個(gè)原子間距，稱(chēng)這一帶 電的半導(dǎo)體表面層為電的半導(dǎo)體表面層為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)。 在空間電荷區(qū)內(nèi)存在著電勢(shì)差，稱(chēng)這種半在空間電荷區(qū)內(nèi)存在著電勢(shì)差，稱(chēng)這種半 導(dǎo)體幾何表面與體內(nèi)之間的電勢(shì)差為半導(dǎo)體導(dǎo)體幾何表面與體內(nèi)之間的電勢(shì)差為半導(dǎo)體 的的表面勢(shì)表面

29、勢(shì)，用符號(hào)，用符號(hào)Vs表示。表示。 2021-7-1741 41 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)多數(shù)載流子勢(shì)能陡起半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)多數(shù)載流子勢(shì)能陡起 的情形稱(chēng)為的情形稱(chēng)為表面勢(shì)壘表面勢(shì)壘。 而半導(dǎo)體表面（而半導(dǎo)體表面（x=0）處與內(nèi)部（）處與內(nèi)部（x=d)處的處的 勢(shì)能之差稱(chēng)為勢(shì)能之差稱(chēng)為表面勢(shì)壘高度表面勢(shì)壘高度，勢(shì)壘高度用符號(hào)，勢(shì)壘高度用符號(hào) qVD表示。顯然，表面勢(shì)壘高度表示。顯然，表面勢(shì)壘高度 SD qVqV 2021-7-1742 42 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體5種表面層狀態(tài)種表面層狀態(tài)

30、 多數(shù)載流子堆積態(tài)多數(shù)載流子堆積態(tài) 外電場(chǎng)背對(duì)外電場(chǎng)背對(duì)p型半導(dǎo)體，即型半導(dǎo)體，即Vs0Vs0，表面，表面 處能帶向下彎曲。外電場(chǎng)作用使半導(dǎo)體表面勢(shì)壘處能帶向下彎曲。外電場(chǎng)作用使半導(dǎo)體表面勢(shì)壘 高到足以使表面層的多數(shù)載流子幾乎喪失完，表高到足以使表面層的多數(shù)載流子幾乎喪失完，表 面層的電荷密度基本上等于電離雜質(zhì)的濃度，這面層的電荷密度基本上等于電離雜質(zhì)的濃度，這 樣的半導(dǎo)體表面層稱(chēng)為多數(shù)載流子的樣的半導(dǎo)體表面層稱(chēng)為多數(shù)載流子的耗盡狀態(tài)耗盡狀態(tài)。 2021-7-1745 45 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 2021-7-1746 46 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表

31、面及界面接觸現(xiàn)象 4. 少數(shù)載流子反型狀態(tài)少數(shù)載流子反型狀態(tài) 表面處的少數(shù)載流子（電子）濃度超過(guò)在表面處的少數(shù)載流子（電子）濃度超過(guò)在 該處的多數(shù)載流子（空穴）的濃度，形成了該處的多數(shù)載流子（空穴）的濃度，形成了 與原來(lái)半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類(lèi)型相反的表面層，與原來(lái)半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類(lèi)型相反的表面層， 稱(chēng)為稱(chēng)為少數(shù)載流子的反型層少數(shù)載流子的反型層，如圖，如圖6-6所示。所示。 2021-7-1747 47 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 2021-7-1748 48 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 弱反型條弱反型條件件: 強(qiáng)反型強(qiáng)反型條件條件: 可以看出，襯底摻

32、雜質(zhì)濃度越高，出現(xiàn)反型所可以看出，襯底摻雜質(zhì)濃度越高，出現(xiàn)反型所 需要的需要的VS就越大，就越難以達(dá)到強(qiáng)反型。就越大，就越難以達(dá)到強(qiáng)反型。 FiBS EEqVqV )ln( 2 i AB S n N q Tk V 2021-7-1749 49 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 一旦出現(xiàn)強(qiáng)反型，表面耗盡寬度就達(dá)到一個(gè)極一旦出現(xiàn)強(qiáng)反型，表面耗盡寬度就達(dá)到一個(gè)極 大值，大值，最大耗盡寬度最大耗盡寬度為為 最大耗盡寬度由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和摻雜濃度來(lái)最大耗盡寬度由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和摻雜濃度來(lái) 確定，對(duì)某一種材料確定，對(duì)某一種材料NA越大，（或越大，（或ND越大）越大）xdm越越 小；

33、對(duì)不同的材料，相同的摻雜，??；對(duì)不同的材料，相同的摻雜，Eg越寬的材料，越寬的材料， ni值越小，值越小，xdm越大。越大。 2 1 2 0 )ln( 4 i A A Brs dm n N Nq Tk x 2021-7-1750 50 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 5. 深耗盡狀態(tài)深耗盡狀態(tài) 因?yàn)榭臻g電荷區(qū)中多子對(duì)外電場(chǎng)改變的響應(yīng)幾乎是瞬時(shí)因?yàn)榭臻g電荷區(qū)中多子對(duì)外電場(chǎng)改變的響應(yīng)幾乎是瞬時(shí) 的（約的（約10-12秒），而少子的響應(yīng)則要慢得多（約秒），而少子的響應(yīng)則要慢得多（約100102 秒），如果表面電場(chǎng)的幅度較大（其方向?qū)γ耄?，如果表面電?chǎng)的幅度較大（其方向?qū)型半導(dǎo)

34、體是型半導(dǎo)體是 由表面指向體內(nèi)）、變化又快（例如以階躍脈沖形式加由表面指向體內(nèi)）、變化又快（例如以階躍脈沖形式加 上），則剛開(kāi)始的瞬間少子還來(lái)不及產(chǎn)生，因而也就沒(méi)有上），則剛開(kāi)始的瞬間少子還來(lái)不及產(chǎn)生，因而也就沒(méi)有 反型層，為屏蔽外電場(chǎng)，只有將更多的空穴（多子）進(jìn)一反型層，為屏蔽外電場(chǎng)，只有將更多的空穴（多子）進(jìn)一 步排斥向體內(nèi)（空穴是多子，跟得上外電場(chǎng)變化），由更步排斥向體內(nèi)（空穴是多子，跟得上外電場(chǎng)變化），由更 寬的耗盡層（大于強(qiáng)反型狀態(tài)時(shí)的耗盡層寬度）中的電離寬的耗盡層（大于強(qiáng)反型狀態(tài)時(shí)的耗盡層寬度）中的電離 受主來(lái)承擔(dān)。這種非平衡狀態(tài)就叫受主來(lái)承擔(dān)。這種非平衡狀態(tài)就叫深耗盡狀態(tài)深耗盡狀

35、態(tài)。 2021-7-1751 51 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 所有的金屬在所有的金屬在 T T0K 0K 的任何溫度下都會(huì)有少的任何溫度下都會(huì)有少 量的電子逸出金屬體外到空間中去，產(chǎn)生所謂量的電子逸出金屬體外到空間中去，產(chǎn)生所謂熱熱 電子發(fā)射。電子發(fā)射。 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù) k0為波爾茲曼常數(shù)；為波爾茲曼常數(shù)；Wm稱(chēng)為該稱(chēng)為該金屬的功函數(shù)金屬的功函數(shù) （也有稱(chēng)為逸出功）。（也有稱(chēng)為逸出功）。 )exp( Tk W n B m 2021-7-1752 52 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 Wm越大，熱電子發(fā)射越困難，它標(biāo)志越

36、大，熱電子發(fā)射越困難，它標(biāo)志 著電子被金屬束縛的強(qiáng)弱著電子被金屬束縛的強(qiáng)弱 2021-7-1753 53 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 功函數(shù)功函數(shù)標(biāo)志著起始能量等于費(fèi)米能級(jí)標(biāo)志著起始能量等于費(fèi)米能級(jí)E EF F的電子的電子 由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需的最小能量。由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需的最小能量。 2021-7-1754 54 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 與金屬類(lèi)似，把與金屬類(lèi)似，把E0與半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)與半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)EFS之間之間 的能量差，稱(chēng)為的能量差，稱(chēng)為半導(dǎo)體的功函數(shù)半導(dǎo)體的功函數(shù)，并用，并用Ws表示表示 為：為： FSS EEW

37、0 2021-7-1755 55 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 用用表示電子的表示電子的親和能親和能，它表示電子從半，它表示電子從半 導(dǎo)體的導(dǎo)帶底逸出體外所需要的最小能量，導(dǎo)體的導(dǎo)帶底逸出體外所需要的最小能量， 即：即： C EE 利用親和能，利用親和能，半導(dǎo)體的功函數(shù)半導(dǎo)體的功函數(shù)又可以表示為：又可以表示為： 式中式中En=Ec-EFS 表示導(dǎo)帶底與費(fèi)米能級(jí)能量表示導(dǎo)帶底與費(fèi)米能級(jí)能量 之差。摻雜濃度不同，則之差。摻雜濃度不同，則En不同，所以不同不同，所以不同 摻雜濃度下功函數(shù)是不同的。摻雜濃度下功函數(shù)是不同的。 nS EW 2021-7-1756 56 3 3 固

38、體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 接觸勢(shì)壘：接觸勢(shì)壘： 金屬和半導(dǎo)體完全接觸之后，金屬和半導(dǎo)體完全接觸之后，金屬和半導(dǎo)體之金屬和半導(dǎo)體之 間相當(dāng)于有一個(gè)外電場(chǎng)作用于半導(dǎo)體表面，而且電間相當(dāng)于有一個(gè)外電場(chǎng)作用于半導(dǎo)體表面，而且電 場(chǎng)場(chǎng)E0是由半導(dǎo)體指向金屬，使半導(dǎo)體表面出現(xiàn)正的是由半導(dǎo)體指向金屬，使半導(dǎo)體表面出現(xiàn)正的 空間電荷區(qū)，形成電子勢(shì)壘，稱(chēng)這種因金屬和半導(dǎo)空間電荷區(qū)，形成電子勢(shì)壘，稱(chēng)這種因金屬和半導(dǎo) 體接觸而產(chǎn)生的半導(dǎo)體表面勢(shì)壘為體接觸而產(chǎn)生的半導(dǎo)體表面勢(shì)壘為接觸勢(shì)壘接觸勢(shì)壘。 2021-7-1757 57 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 2021-7-17

39、58 58 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 金屬和金屬和n型半導(dǎo)體接觸時(shí)有兩種情況型半導(dǎo)體接觸時(shí)有兩種情況: WmWs 金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù) 2021-7-1759 59 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大 得多，因此它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱(chēng)為得多，因此它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱(chēng)為 反阻擋層反阻擋層。 2021-7-1760 60 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主

40、 形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它 是一個(gè)高阻的區(qū)域，稱(chēng)為是一個(gè)高阻的區(qū)域，稱(chēng)為阻擋層。阻擋層。 2021-7-1761 61 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 形成形成n型和型和p型阻擋層的條件型阻擋層的條件 WmWs Wm0， 外加電壓方向和接觸表面勢(shì)（外加電壓方向和接觸表面勢(shì)（Vs）0方向相反，使方向相反，使 勢(shì)壘高度下降，電子可以順利地流過(guò)降低了的勢(shì)壘。勢(shì)壘高度下降，電子可以順利地流過(guò)降低了的勢(shì)壘。 2021-7-1765 65 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 當(dāng)電源電極性接法反過(guò)來(lái)，半導(dǎo)體一邊接正極，當(dāng)

41、電源電極性接法反過(guò)來(lái)，半導(dǎo)體一邊接正極， 金屬一邊接負(fù)極，則外加電壓金屬一邊接負(fù)極，則外加電壓V0與接觸表面勢(shì)與接觸表面勢(shì) （Vs）0方向相同，勢(shì)壘高度上升，從半導(dǎo)體流向方向相同，勢(shì)壘高度上升，從半導(dǎo)體流向 金屬的電子數(shù)減少，而金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)占金屬的電子數(shù)減少，而金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)占 優(yōu)勢(shì)，形成一股由半導(dǎo)體到金屬的反向電流。優(yōu)勢(shì)，形成一股由半導(dǎo)體到金屬的反向電流。 對(duì)對(duì)P型阻擋層型阻擋層，金屬一邊接電源負(fù)極，而半導(dǎo)，金屬一邊接電源負(fù)極，而半導(dǎo) 體一邊接正極，對(duì)應(yīng)為通流的方向，而金屬一邊體一邊接正極，對(duì)應(yīng)為通流的方向，而金屬一邊 接正極半導(dǎo)體一邊接負(fù)極對(duì)應(yīng)為阻流方向。接正極半導(dǎo)體一邊

42、接負(fù)極對(duì)應(yīng)為阻流方向。 2021-7-1766 66 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 歐姆接觸歐姆接觸 因?yàn)橐话愕陌雽?dǎo)體器件都必須用金屬電極因?yàn)橐话愕陌雽?dǎo)體器件都必須用金屬電極 輸入或輸出電流，這就要求在金屬和半導(dǎo)體之輸入或輸出電流，這就要求在金屬和半導(dǎo)體之 間形成良好的歐姆接觸，所謂良好的間形成良好的歐姆接觸，所謂良好的歐姆接觸，歐姆接觸， 就是接觸電阻應(yīng)該很小同時(shí)還應(yīng)該具有線性的就是接觸電阻應(yīng)該很小同時(shí)還應(yīng)該具有線性的 和對(duì)稱(chēng)的電流和對(duì)稱(chēng)的電流- -電壓關(guān)系。電壓關(guān)系。 2021-7-1767 67 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 目前在實(shí)際應(yīng)用

43、中能夠目前在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)歐姆接觸的實(shí)現(xiàn)歐姆接觸的 方法方法主要有兩種：主要有兩種： 其一是高摻雜接觸；其一是高摻雜接觸； 其二是高復(fù)合接觸。其二是高復(fù)合接觸。 2021-7-1768 68 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 理想理想MIS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容 MIS結(jié)構(gòu)是由金屬、絕緣層以及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是由金屬、絕緣層以及半導(dǎo)體 組成的組成的（Metal+Insulator+Semiconductor） 2021-7-1769 69 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 首先假設(shè)首先假設(shè)MIS結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足下列所謂結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足下列所謂理想的條件理想的條件： 金屬和半導(dǎo)體

44、之間功函數(shù)差為零；金屬和半導(dǎo)體之間功函數(shù)差為零； 在絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電；在絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電； I.絕緣層與半導(dǎo)體接觸界面處沒(méi)有任何界面態(tài)。絕緣層與半導(dǎo)體接觸界面處沒(méi)有任何界面態(tài)。 MIS結(jié)構(gòu)的電容結(jié)構(gòu)的電容相當(dāng)于絕緣層電容相當(dāng)于絕緣層電容C0和半導(dǎo)和半導(dǎo) 體空間電荷層電容體空間電荷層電容CS的串聯(lián)。的串聯(lián)。 S CC C 11 1 0 2021-7-1770 70 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 其中其中CS是隨外加電壓而改變的，如同一個(gè)是隨外加電壓而改變的，如同一個(gè) 可調(diào)電容一樣?？烧{(diào)電容一樣。 2021-7-1771 71 3

45、 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 MIS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容C除以絕緣層電容除以絕緣層電容C0，得，得 到到歸一化的歸一化的MIS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容 S C C C C 0 0 1 1 2021-7-1772 72 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 理想理想MIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性特性 以以P型半導(dǎo)體為例討論型半導(dǎo)體為例討論MIS結(jié)構(gòu)歸一化結(jié)構(gòu)歸一化C-V特性特性 負(fù)偏壓較大負(fù)偏壓較大 負(fù)偏壓較小負(fù)偏壓較小 正向電壓不太大正向電壓不太大 正向電壓遠(yuǎn)大于零正向電壓遠(yuǎn)大于零 高頻情況下，正向電壓很大高頻情況下，正向電壓很大 2021-7-1773 73 3 3

46、固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 2021-7-1774 74 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 從圖從圖6-20中可以看出，在開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時(shí)，中可以看出，在開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時(shí)， 用低頻信號(hào)測(cè)得的電容值接近絕緣層的電容用低頻信號(hào)測(cè)得的電容值接近絕緣層的電容C0, 這這 與前面的討論是一致的。然而，在高頻信號(hào)時(shí)，半與前面的討論是一致的。然而，在高頻信號(hào)時(shí)，半 導(dǎo)體表面出現(xiàn)強(qiáng)反型層后，電容達(dá)到了極小值，并導(dǎo)體表面出現(xiàn)強(qiáng)反型層后，電容達(dá)到了極小值，并 不再隨外加偏壓不再隨外加偏壓VG而變化。而變化。 2021-7-1775 75 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體

47、表面及界面接觸現(xiàn)象 對(duì)同一種半導(dǎo)體材料，當(dāng)溫度一定時(shí)，對(duì)同一種半導(dǎo)體材料，當(dāng)溫度一定時(shí)， /C0是絕緣層厚度是絕緣層厚度d0及襯底雜質(zhì)濃度及襯底雜質(zhì)濃度NA的的 函數(shù)。當(dāng)函數(shù)。當(dāng)d0一定時(shí)，摻雜濃度一定時(shí)，摻雜濃度NA越大越大 /C0的值也越大。的值也越大。 利用這一理論可以測(cè)半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃利用這一理論可以測(cè)半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃 度。度。 min C min C 2021-7-1776 76 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 考慮考慮金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)差金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)差時(shí)時(shí)MIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特特 性與原來(lái)理想的性與原來(lái)理想的MIS結(jié)構(gòu)的相比較，只是其結(jié)構(gòu)的相比較

48、，只是其平帶平帶 點(diǎn)點(diǎn)發(fā)生了變化，由原來(lái)的發(fā)生了變化，由原來(lái)的VG=0處移到了處移到了VG=VFB處。處。 2021-7-1777 77 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 MIS結(jié)構(gòu)中絕緣層中存在電荷時(shí)，平帶電壓結(jié)構(gòu)中絕緣層中存在電荷時(shí)，平帶電壓 l 平帶電壓與電荷在絕緣層的位置有關(guān)，當(dāng)電荷平帶電壓與電荷在絕緣層的位置有關(guān)，當(dāng)電荷 貼近半導(dǎo)體時(shí)，貼近半導(dǎo)體時(shí)，x=d0時(shí)，時(shí)，VFB=-Q/C0達(dá)到極大值，達(dá)到極大值， 反之電荷貼近金屬表面時(shí)，反之電荷貼近金屬表面時(shí)，x=0，VFB=0。 l 這說(shuō)明電荷越接近半導(dǎo)體表面，對(duì)這說(shuō)明電荷越接近半導(dǎo)體表面，對(duì)C-V特性影特性影 響就

49、越大。若電荷位于金屬與絕緣層界面處時(shí)，對(duì)響就越大。若電荷位于金屬與絕緣層界面處時(shí)，對(duì) C-V特性沒(méi)有影響。特性沒(méi)有影響。 00d C Qx VFB 2021-7-1778 當(dāng)當(dāng)MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)絕緣層中存在電荷絕緣層中存在電荷時(shí)，同樣可時(shí)，同樣可 以把理想的以把理想的C-V特性曲線沿電壓軸平移特性曲線沿電壓軸平移VFB的的 電壓，便得到了實(shí)際的電壓，便得到了實(shí)際的C-V特性曲線。特性曲線。 如果如果MIS結(jié)構(gòu)既存在結(jié)構(gòu)既存在金屬和半導(dǎo)體之間的功金屬和半導(dǎo)體之間的功 函數(shù)差函數(shù)差，又存在，又存在絕緣層中的電荷絕緣層中的電荷，那么，那么C-V特特 性曲線所平移的平帶電壓，應(yīng)該是兩種因素所性曲線所平移的

50、平帶電壓，應(yīng)該是兩種因素所 產(chǎn)生的平帶電壓的綜合結(jié)果。產(chǎn)生的平帶電壓的綜合結(jié)果。 3 3 固體表面及界面接觸現(xiàn)象固體表面及界面接觸現(xiàn)象 2021-7-1779 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 光吸收分類(lèi)：光吸收分類(lèi)： 本征吸收本征吸收：光照后，電子由價(jià)帶向?qū)У能S：光照后，電子由價(jià)帶向?qū)У能S 遷所引起的光吸收稱(chēng)為本征吸收。遷所引起的光吸收稱(chēng)為本征吸收。 光子能量滿(mǎn)足的條件：光子能量滿(mǎn)足的條件： 0g hhE 固體的光電現(xiàn)象包括：固體的光電現(xiàn)象包括： 光的吸收、光電導(dǎo)、光生伏特效應(yīng)和光的吸收、光電導(dǎo)、光生伏特效應(yīng)和 光的發(fā)射光的發(fā)射 非本征吸收：非本征

51、吸收：激子吸收，自由載流子吸收，雜激子吸收，自由載流子吸收，雜 質(zhì)吸收，晶格振動(dòng)吸收等。質(zhì)吸收，晶格振動(dòng)吸收等。 2021-7-1780 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 本征吸收長(zhǎng)波限的公式：本征吸收長(zhǎng)波限的公式： 根據(jù)半導(dǎo)體材料不同的禁帶寬度，可以算出根據(jù)半導(dǎo)體材料不同的禁帶寬度，可以算出 相應(yīng)的本征吸收長(zhǎng)波限。相應(yīng)的本征吸收長(zhǎng)波限。 0 1.24 () gg hceV m EEeV （） 本征吸收的分類(lèi)：直接躍遷和間接躍遷本征吸收的分類(lèi)：直接躍遷和間接躍遷 2021-7-1781 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電

52、現(xiàn)象 其他吸收過(guò)程其他吸收過(guò)程 (非本征吸收非本征吸收) 激子吸收激子吸收 價(jià)帶電子受激發(fā)后不足以進(jìn)入導(dǎo)帶而成為自由電價(jià)帶電子受激發(fā)后不足以進(jìn)入導(dǎo)帶而成為自由電 子，仍然受到空穴的庫(kù)侖場(chǎng)作用。實(shí)際上，受激電子子，仍然受到空穴的庫(kù)侖場(chǎng)作用。實(shí)際上，受激電子 和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個(gè)新的系統(tǒng)，這和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個(gè)新的系統(tǒng)，這 種系統(tǒng)稱(chēng)為種系統(tǒng)稱(chēng)為激子激子，這樣的光吸收稱(chēng)為激子吸收。，這樣的光吸收稱(chēng)為激子吸收。 自由載流子吸收自由載流子吸收 雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 晶格振動(dòng)吸收晶格振動(dòng)吸收 2021-7-1782 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光

53、電現(xiàn)象 2021-7-1783 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 光吸收使半導(dǎo)體中形成非平衡載流子；而光吸收使半導(dǎo)體中形成非平衡載流子；而 載流子濃度的增大必然使樣品電導(dǎo)率增大。這載流子濃度的增大必然使樣品電導(dǎo)率增大。這 種由光照引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象稱(chēng)為種由光照引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象稱(chēng)為光光 電導(dǎo)效應(yīng)電導(dǎo)效應(yīng)。 本征光電導(dǎo)：本征吸收引起載流子數(shù)目變化。本征光電導(dǎo)：本征吸收引起載流子數(shù)目變化。 雜質(zhì)光電導(dǎo)：雜質(zhì)吸收引起載流子數(shù)目變化。雜質(zhì)光電導(dǎo)：雜質(zhì)吸收引起載流子數(shù)目變化。 2021-7-1784 4 4 固體的光學(xué)

54、性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 無(wú)光照時(shí)，半導(dǎo)體樣品的（暗）電導(dǎo)率無(wú)光照時(shí)，半導(dǎo)體樣品的（暗）電導(dǎo)率 在整個(gè)光電導(dǎo)過(guò)程中，光生電子與熱平衡在整個(gè)光電導(dǎo)過(guò)程中，光生電子與熱平衡 電子具有相同的遷移率。因此，光照下樣品的電子具有相同的遷移率。因此，光照下樣品的 電導(dǎo)率電導(dǎo)率 000 () np q np 熱平衡時(shí)熱平衡時(shí) 附加電導(dǎo)率附加電導(dǎo)率 () np q np 0 nnn 0 ppp因?yàn)橐驗(yàn)?2021-7-1785 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 光照引起的附加電導(dǎo)率（光照引起的附加電導(dǎo)率（光電導(dǎo)光電導(dǎo)） 0np qnp 光電導(dǎo)

55、的相對(duì)值光電導(dǎo)的相對(duì)值 000 np np np np , np npb 對(duì)本征光電導(dǎo)，引入得 000 1 bn bnp 00 ( np qnnpp ）（） 000 () np q np 2021-7-1786 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 sn nI sp pI 從而從而定態(tài)光電導(dǎo)率定態(tài)光電導(dǎo)率(恒定光照下產(chǎn)生的光電導(dǎo)率恒定光照下產(chǎn)生的光電導(dǎo)率) nnpp qI 設(shè)光生電子和空穴的壽命分別為設(shè)光生電子和空穴的壽命分別為 和和 ， 則定態(tài)光生載流子的濃度：則定態(tài)光生載流子的濃度： n p 2021-7-1787 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)

56、象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 012 3 4 012 3 4 t s 光照光照 停止光照停止光照 當(dāng)光照停止后光電導(dǎo)也是逐漸地消失。這當(dāng)光照停止后光電導(dǎo)也是逐漸地消失。這 種在光照下光電導(dǎo)率逐漸上升和光照停止后光種在光照下光電導(dǎo)率逐漸上升和光照停止后光 電導(dǎo)率逐漸下降的現(xiàn)象，稱(chēng)為光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)電導(dǎo)率逐漸下降的現(xiàn)象，稱(chēng)為光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn) 象或叫做光電導(dǎo)的弛豫過(guò)程。象或叫做光電導(dǎo)的弛豫過(guò)程。 光電導(dǎo)的弛豫過(guò)程光電導(dǎo)的弛豫過(guò)程 2021-7-1788 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，光照使束縛于雜質(zhì)能級(jí)對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，光照使束縛于雜質(zhì)能級(jí)

57、 上的電子或空穴電離，因而增加了導(dǎo)帶或價(jià)帶上的電子或空穴電離，因而增加了導(dǎo)帶或價(jià)帶 的載流子濃度，產(chǎn)生雜質(zhì)光電導(dǎo)。的載流子濃度，產(chǎn)生雜質(zhì)光電導(dǎo)。 和本征光電導(dǎo)相比，雜質(zhì)光電導(dǎo)是十分微和本征光電導(dǎo)相比，雜質(zhì)光電導(dǎo)是十分微 弱的。同時(shí)，所涉及到的能量都在紅外光范圍，弱的。同時(shí)，所涉及到的能量都在紅外光范圍， 激發(fā)光實(shí)際上不可能很強(qiáng)。激發(fā)光實(shí)際上不可能很強(qiáng)。 雜質(zhì)光電導(dǎo)雜質(zhì)光電導(dǎo) 2021-7-1789 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射非均勻半導(dǎo)體（當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射非均勻半導(dǎo)體（p-n 結(jié)等）時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用（不加外電結(jié)等）時(shí)，

58、由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用（不加外電 場(chǎng)），半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；場(chǎng)），半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）； 如將如將p-n結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。 這種由內(nèi)建電場(chǎng)引起的光電效應(yīng)稱(chēng)為這種由內(nèi)建電場(chǎng)引起的光電效應(yīng)稱(chēng)為光生伏特光生伏特 效應(yīng)效應(yīng)。 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 2021-7-1790 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 通過(guò)結(jié)的通過(guò)結(jié)的正向電流正向電流IF exp() 1 Fs B eV II k T 其中其中，V是光生電壓，是光生電壓， Is是反向飽和電流是反向飽和電流 光生電流光生電流IL () L

59、pn IqQA LL 其中其中， A是是p-n結(jié)面積，結(jié)面積，q是電子電量，是電子電量， 表表 示在結(jié)的擴(kuò)散長(zhǎng)度示在結(jié)的擴(kuò)散長(zhǎng)度 內(nèi)非平衡載流子的平內(nèi)非平衡載流子的平 均產(chǎn)生率。均產(chǎn)生率。 () pn LL Q 2021-7-1791 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 V E h RL +- I IF pnIL 如果電池與負(fù)載電阻接成通路，通過(guò)負(fù)載的如果電池與負(fù)載電阻接成通路，通過(guò)負(fù)載的 電流為電流為 這就是負(fù)載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也這就是負(fù)載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也 就是就是光電池的伏安特性光電池的伏安特性，其曲線如下圖。，其曲線如下圖。 exp

60、() 1 LFLs B eV IIIII k T 2021-7-1792 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 無(wú)光照時(shí)無(wú)光照時(shí) 有光照時(shí)有光照時(shí) 2021-7-1793 4 4 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象 exp() 1 LFLs B eV IIIII k T 根據(jù)根據(jù) ln(1) BL S k TII V qI ln(1) BL oc S k TI V qI 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓 p-n結(jié)在開(kāi)路情況下，兩端的電壓即為開(kāi)路結(jié)在開(kāi)路情況下，兩端的電壓即為開(kāi)路 電壓電壓 。 這時(shí)這時(shí)I=0， IL = IF ，開(kāi)路電壓為，開(kāi)路